JPH11508394A

JPH11508394A - 赤外線放射を低減した白熱光エネルギーの変換

Info

Publication number: JPH11508394A
Application number: JP9502071A
Authority: JP
Inventors: ウッダール，ジェリー・マクファーソン; コーネゲイ，ケヴィン・タイロン; スペンサー，マイケル・グレッグ
Original assignee: Purdue Research Foundation
Current assignee: Purdue Research Foundation
Priority date: 1995-06-06
Filing date: 1996-06-06
Publication date: 1999-07-21
Also published as: WO1996039720A1; AU6168696A; US5814840A; EP0834197A2; EP0834197A4

Abstract

(57)【要約】白熱光の放射において熱または電気と白熱光との間のエネルギー変換が、低減されたＩＲ含量を有する放射を伴って、高いバンドギャップの半導体（１）を用いて達成され、この半導体は、半導体のバンドギャップ未満の光子エネルギーを通過させるかまたは反射させそして半導体のバンドギャップ以上の光子エネルギーだけを放射させるように、自由キャリヤの吸収が抑制されるように構造とエネルギー変換物理特性が適合されている。わずかに”Ｎ”型にドーピングされた３Ｃ-ＳiＣからなるフィラメント（２）は、約９００℃において、約２ｅＶ以上のエネルギーに対して可視範囲で白熱して輻射を生じ、約２ｅＶ未満のエネルギーに対して光子の不十分な放射を呈する。

Description

【発明の詳細な説明】赤外線放射を低減した白熱光エネルギーの変換発明の分野本発明は、光、熱、および電気の中のエネルギー変換の分野に関し、特に、熱または電気から低い赤外線（ＩＲ）を有する白熱光への交換可能な変換に関する。発明の背景および先行技術との関連エネルギーは、照明、表示、および伝達等の様々な用途において、一つの形態から別の形態へ、例えば熱または電気から光のような輻射エネルギーへ変換される。当分野において従来、エレクトロルミネセンス光（これは最小の熱を伴う）は高密度の表示や伝達の用途のための光源であった。一方、白熱光は最大のパワーを含む。さらに当分野において従来、白熱光エネルギーの電気および熱との交換を含む用途において、スペクトルの赤外線（ＩＲ）部分におけるエネルギーの存在は熱の発生をもたらし、それはまた、光変換効率を低下させるように作用し、適応させるには追加の構造を必要としている。物質において熱または電気が白熱光に変換される用途においては非常に高い温度を必要とし、それはまた、スペクトルの赤外線部分における実質的な量のエネルギーの放出をもたらす。多くの白熱光の適用において、白熱放射は直接的な抵抗熱の産物である。”グローバー（Ｇlow Ｂars）”の技術において知られているドーピングされたバルク形態の炭化ケイ素（ＳiＣ）材料は加熱要素として用いられる。”グローバー ”は約９００℃において赤−橙色で白熱する。白色光を伴う適用の中で、米国特許第２２３，８９８号におけるエジソンの電球は白熱する高抵抗でコイル状の炭素フィラメント（繊条）を備えているが、しかしエジソンは環境上と物理上の衝撃保護のために排気したガラス電球からなる追加の構造を用いなければならなかった。後に白熱フィラメントタイプの電球は進歩して、エジソンの炭素フィラメントはコイル状で高抵抗のタングステンに置き換えられた。タングステンは白熱し、衝撃抵抗に関して物理的により強いが、しかしガラス電球の環境保護を依然として必要としている。Ｈochbergらの製品（Ｅlectron Ｄevices Ｖol.ＥＤ-20 Ｎo .11 Ｎov.1973，ｐ1002-1005）において、排気した環境中で１２００℃で機能するタングステンフィラメント型のものを用いる高密度のディスプレイ（表示）が記載されている。当分野の従来の白熱光の適用において、白熱要素は通常の黒体の発光分光分布を伴う分光分布を有していて、一方でそれはいかなる物質に対しても最も高い放射率を有するが、放射される出力の大部分はスペクトルの赤外線部分にあり、従ってかなりの浪費を伴っていた。白熱光エネルギー変換の分野において、白熱光放射の中の赤外線（ＩＲ）の量とそれに伴う熱が低減されるように変換を行うことを可能にする必要がある。発明の概要熱または電気と白熱光の間のエネルギー変換は、例えば低減されたＩＲ量を生み出すしきい値未満の光子エネルギーが除去された放射に伴って、半導体のバンドギャップ未満の光子エネルギーを通過させるかまたは反射させそして半導体のバンドギャップ以上のエネルギーをもつ光子のみを放出させるために、自由キャリヤの吸収を抑えるように構造とエネルギー変換物理を適合させた高いバンドギャップの半導体素子を用いて、達成される。わずかに”Ｎ”型にドーピングした３Ｃ-ＳiＣのうちの一つのようなフィラメントは、約９００℃において、約２ｅＶ以上のエネルギーに対して可視範囲において白熱と放射を示し、約２ｅＶ未満のエネルギーに対しては光子の不十分な放出を示す。良好な可視エミッターは光を熱に変換する良好な可視コレクターでもある。図面の簡単な説明図１は、本発明の白熱光放射要素の透視図である。図２は、本発明の低ＩＲ白熱光放射要素の放射スペクトルのグラフである。図３は、本発明の放射率スペクトルを標準の黒体のそれと比較した理想的な関係を示すグラフである。図４は、先行技術の従来の半導体の光応答性を示すバンドエネルギーの図であり、自由キャリヤの吸収の影響を示している。図５は、本発明の光応答性を示すバンドエネルギーの図である。図６は、３Ｃ-ＳiＣ材料を用いる本発明の好ましい実施態様の平面図である。図７は、図６の実施態様の側面図である。発明の説明本発明において、高いバンドギャップ（＞２ｅＶ）の半導体部材は、半導体のバンドギャップ未満の光子エネルギーを通過させるかまたは反射させそして半導体のバンドギャップ以上の光子エネルギーのみを効率良く放出させるために、自由キャリヤの吸収を抑えるように相関的に適合させた構造とエネルギー変換物理を有する。本発明の放射スペクトルは、著しく低減されたＩＲ量を伴う可視範囲の白熱光を示す。本発明において、白熱光放射要素は自立した（それ自体で独立した）フィラメント構造形態のものであり、フィラメントを適度に高い温度である６００℃以上、好ましくは９００℃以上の温度にする手段を有する。この放射要素は高いバンドギャップ（＞２ｅＶ）の耐熱性半導体材料からなる物体であり、約１０¹⁷原子／ｃｃまでわずかにドーピングされていて不純物を少なくとも放射表面に隣接する領域に限定するエキストリンシック導電性を有し、またその物体は前記バンドギャップ未満の光子エネルギーの自由キャリヤの吸収を抑えるように改造されたエネルギー変換特性を有する。この要素は、レーザ光のような強い光を、放射されない熱に変換することができる。約２.３ｅＶのバンドギャップを有する立方晶炭化ケイ素（３Ｃ-ＳiＣ）材料および約３ｅＶのバンドギャップを有する六方晶炭化ケイ素（α-ＳiＣ）材料の両者は窒素を約１０¹⁷原子／ｃｃまでドーピングされ、約６.１ｅＶのバンドギャップを有する窒化アルミニウム（ＡlＮ）材料はケイ素で”ｎ”型の導電性にドーピングされるかまたは適当な受容体ドーピングエージェントで”ｐ”型の導電性に約１０¹⁷原子／ｃｃまでドーピングされ、これらは単結晶または多結晶の形態、例えば高いバンドギャップの耐熱性半導体材料からなり、また薄いフィルム構造の形態の場合は、９００℃以上、１３００℃以上、および１８００℃以上の温度において、それぞれ低い光子エネルギーを有する白熱光放射材料として用いることができる。本発明の低いＩＲを有する光放射材料の構造態様を図１に示す。図１において、本体１は２電子ボルト（ｅＶ）以上の高いバンドギャップを有する耐熱性半導体材料からなる。耐酸化性であって１０００℃以上の温度に対して耐性があるときに、その材料は耐熱性であると考えられる。本体１は、光放射表面３に隣接する領域２において境界面４として破線で示す深さまで、約１０¹⁷原子／ｃｃまでわずかにドーピングされている。さらに本体１は、本質的に自立した白熱光放射フィラメント形態のものである。この形態においてフィラメントは、例えば本体１の少なくとも領域２において領域５から領域６まで電流を通すことによって加熱される。フィラメントを９００℃以上の温度まで直接加熱に供してもよい。この自立した構造形態において、支持体を通しての伝導による熱の損失は最少化される。９００℃以上の温度において、本体１は低いＩＲを有する白熱光を表面３を通して放射するか、またはバンドギャップ以上の光子エネルギーを表面３に衝突させて加熱することによって光を変換する。領域２のドーピング濃度は主として電流（Ｉ）がこの領域を流れるときに領域２についての加熱力（Ｉ²Ｒ）に対する抵抗（Ｒ）を与える。表面３と境界面４の間の厚さ寸法は、領域２に形成される自由キャリヤ（電子と空孔）の総数の抑制（suppression）に関係する。自由キャリヤの抑制は、境界面４を越える領域７の選択的ドーピングを行い、それによって、領域７のフェルミレベルを望まれない自由キャリヤの形成を防ぐように作用するエネルギーレベルまで移動させることによってコントロールすることもできる。図２において、例としての材料である３Ｃ-ＳiＣについての本発明の低いＩＲを有する白熱光放射要素の放射スペクトルを示す。図２において、放射の強度は本発明に従って放射された低いＩＲを有する光を示すバンドギャップエネルギー値よりも下に低下している。図３において、本発明の放射率と標準的な黒体の放射率との理想的な関係が示されていて、ある温度において、黒体の放射率はＩＲ領域におけるスペクトルの実質的な部分を有する。図３において、曲線は本発明の放射率のＩＲ部分が小さいことを示す。当分野において、白熱光源の光度は、放射エネルギースペクトル中に含まれる熱に対する可視スペクトル中の全放射の比率として定義されるので、本発明は明らかに高い光度と優れた光源を提供する。本発明の原理はさらに、バンドエネルギーの図を比較することに関連して説明される。図４において、先行技術の従来の半導体の応答性が示されていて、これは、自由キャリヤの吸収を生じさせるのに十分な電荷キャリヤおよび全ての光子エネルギーに対して１に近似した放射率（Ｅ）を伴う半導体の黒体の性質を例証している。図５において、本発明の光応答性が示されていて、これは、光エネルギー（ｈν）がバンドギャップよりも大きい場合（ｈν＞Ｅｇ）に放射率（Ｅ）が１に近似し、また光エネルギー（ｈν）がバンドギャップよりも小さい場合（ｈν＜Ｅｇ）に放射率（Ｅ）が０に近似するような選択的吸収と放射特性を例証している。図４において、”Ｅ-価電子”と表示した価電子帯エネルギーレベルは、これに隣接する空孔型のキャリヤに対する記号”○”を有し、”Ｅ-伝導”と表示した伝導帯エネルギーレベルは、これに隣接する電子型のキャリヤに対する記号” ●”を有する。この材料のバンドギャップ（Ｅｇ）は価電子帯と伝導帯の間のエネルギー分離である。光エネルギー（ｈν）がバンドギャップエネルギーよりも小さい場合（ｈν＜Ｅｇ）、光エネルギーは自由キャリヤ吸収として知られるプロセスで強く吸収され、再結合するときに材料の本体にエネルギーを移動させる光によって自由電子と自由空孔が励起される場合、ＩＲ放射が生じる。光エネルギー（ｈν）がバンドギャップエネルギーよりも大きい場合（ｈν＞Ｅｇ）、大きな（バンドギャップより大きな）吸収によって空孔-電子対の励起が生じる。これによって、十分に高い温度においては、バンドギャップよりも大きな光エネルギーを用いて光の放射が生じ得る。図５において、本発明の材料は２電子ボルトよりも大きな（＞２ｅＶ）高いバンドギャップ分離を有する。この材料は電子と空孔の数がより少なく、従ってバンドギャップよりも小さな光エネルギー（ｈν＜Ｅｇ）に対して著しい電子または空孔の励起はないので、自由キャリヤの吸収が抑制され、従ってＩＲ放射は抑制される。バンドギャップよりも大きな光エネルギー（ｈν＞Ｅｇ）に対して、光エネルギーは空孔-電子対の発生によって強く吸収される。これによって、十分に高い温度においては、バンドギャップよりも大きな光エネルギーを用いて光の放射が生じ得る。材料の光応答性は下記に従う。吸収率（Ａ）は吸収される入射輻射線の率を決定する特性である。反射率（Ｒ）は反射される入射輻射線の率を決定する特性である。透過率（Ｔ）は材料を通過する入射輻射線の率を決定する特性である。各々の特性は０から１まで変化し得るが、しかしＡ、Ｒ、およびＴの総計は１である。放射率（Ｅ）は（Ａ）に等しく、またこれは１−（Ｒ＋Ｔ）に等しく、さらにこれは、単位面積当たりの輻射エネルギーの放射率を、黒体材料（この場合（Ａ）が１である）の放射率で割った値に等しい。与えられた温度について、黒体はいかなる材料に対しても最も高い放射率を有する。半導体材料を含めてＥｇ＞０のバンドギャップエネルギーを有する材料は、輻射エネルギー、誘導、伝導、または電流によって最大温度まで加熱される。最大温度とは、イントリンシック（内因性の）キャリアとエキストリンシック（外因性の）キャリアのいずれかの濃度が、バンドギャップエネルギーよりも小さなエネルギーを有する光子の顕著な量の自由キャリアの吸収を起こすには不十分な温度である。バンドギャップエネルギー以上の光子に対して、この材料はあるＡを有し、従ってＥは１−Ｒに近似する。この条件について、Ｒを０に近づけることができ、このときＥは１に近づくだろう。バンドギャップエネルギーＥよりも小さなエネルギーを有する光子について、Ｅは０に近似するだろう。本発明に従えば、十分な温度に加熱されるとき、バンドギャップよりも大きい光子エネルギー（ｈν＞Ｅｇ）に対してＥが１に近似してそしてバンドギャップよりも小さい光子エネルギー（ｈν＜Ｅｇ）に対してＥが０に近似するような材料は、バンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する光子を効果的に放射し、そのようなエネルギーに対して黒体のように挙動するだろう。さらに、本発明の材料は、バンドギャップエネルギー未満のエネルギーを有する光子を効果的には放射せず、そのようなエネルギーに対して良好な反射材料または良好な透過材料のように挙動するだろう。従って、図３に示すように、本発明の材料は、バンドギャップエネルギー以上のエネルギーに対しては黒体に類似する放射輻射線のスペクトル分布を有し、バンドギャップ未満のエネルギーに対しては大きく減衰した黒体のスペクトル分布を有するだろう。さらにまた、本発明によれば、材料が高いバンドギャップ（２ｅＶ）の半導体であって、自由キャリアの吸収が抑制されるように適合されていてそして９００ ℃まで加熱されるとき、新しいタイプの白熱光が生じる。白熱フィラメントの標準電球について報告された白熱光は、図３に示される先行技術の黒体のものに類似するスペクトル分布を有していて、この場合、放出される出力の大部分はスペクトルの赤外線部分にあり、それは高い可視光放射の適用に対して浪費される。本発明の白熱光は大きく抑制された赤外線放射を与え、従ってそれは、スペクトルの熱赤外線の輻射率に関しての可視光の中の輻射線の割合である大きく増大した光度を有するだろう。図１に示す本発明の白熱要素は自立したフィラメント形状のものであり、これはフィラメントに電流を通すことによって加熱するかあるいは外部熱源から加熱するように用意されたものである。支持体を通しての伝導による熱の損失は自立構造によって最少化される。本発明を遂行するための最良の態様白熱要素の好ましい実施態様は、ベータ型または立方晶型の半導体材料の炭化ケイ素（３Ｃ-ＳiＣ）の構造のものであり、これはスペクトルのＩＲ部分での輻射の変更に対して感受性の高い高温において強く安定な有利な特性を有し、また安価で容易に除去される支持体の上に成長させることができる。この要素は、あらゆる照明および伝達の用途に使用するために多数の形状と形態に製造することができる。３Ｃ-ＳiＣは室温で２.３ｅＶの間接バンドギャップ（Ｅｇ）を有し、従ってバンド間の輻射の吸収は２.３ｅＶ以上の光子エネルギーに対して開始する。温度が上昇するとＥｇは減少するので、それによって、バンド間の吸収が開始する光子エネルギーをより小さなエネルギーに変化させる。吸収の弱い材料について、白熱輻射の放射スペクトルは次の式１の関係に従う。（式１）Ｋ（ｈν）ＸＱ（ｈν,Ｔ）ここで、Ｑは黒体からの正常輻射Ｋはその波長におけるＳiＣの光学吸収係数Ｘは材料の厚さ２.３ｅＶ未満の輻射エネルギーの吸収を抑制することによって、本発明によれば、赤外線を著しく少なくした白熱輻射線が生成される。この実施態様において、２.３ｅＶ未満の吸収の抑制は図１の層７の中にホウ素を１０¹⁵原子／ｃｃまでドーピングすることによって達成されるが、このドーピングによってフェルミレベルが荷電子帯の上約０.４ｅＶに固定されて高抵抗の材料が生成され、それによって自由キャリヤの吸収が最小化される。図１において、窒素をドーピングした伝導性の層２は同じ理由によって薄く保たれる。本質的に自由キャリヤの存在しない比較的厚い構造の層７と薄い高伝導性の層２の組み合わせによって、理想的な白熱構造を実現することができる。最も単純な自立したフィラメント要素およびその製造方法は、図１に用いているのと同様の符号を用いて、図６および図７と関連づけて説明され示されている。ここで図６は平面図であり、図７は図６のライン７--７に沿う側面図である。図１、６、および７を参照すれば、３Ｃ-ＳiＣのホウ素をドーピングしたエピタキシャル層７がＳi 基板１０の上に約１０ミクロンの厚さまで成長され、次いで、境界面４の上に、窒素をドーピングしたＳiＣの５００〜１０００オングストロームの厚さの層２が形成され、また図１のフィラメント１に相当する部分１が、その下の基板１０の部分を除去することによって形成される。ケイ素上への炭化ケイ素の成長は、文献に報告されている通常の方法を用いて行われ、本質的には、清浄にしたケイ素のウェファーを化学蒸着炉の中に装填することによって達成される。１０００℃以上の熱処理によってウェファーから全ての酸化物が除去される。ケイ素ウェファーはプロパンのガス流れの中で約１４００℃の温度にされ、それによってケイ素ウェファーの表面上に炭化ケイ素の薄膜すなわち緩衝層が形成される。次いで温度は約１３５０℃まで下げられ、炭化ケイ素の緩衝層の上に炭化ケイ素のエピタキシャル成長が行われ、これが所望の層厚になるまで続けられる。この成長は水素、プロパン、およびシランの３つのガスを用いて行われる。水素対シランの比は約１０００：１であり、シラン対プロパンの比は約３：１である。層７において、ホウ素のドーピングはガス流れの中に三フッ化ホウ素を添加することによって達成される。層２において、窒素のドーピングはアンモニアを用いることによって達成される。１時間当たり３ミクロンまでの成長速度を得ることができる。通常のリトグラフィー技術を用いて、所望のフィラメントと電気接点領域の形状のフォトレジストのエッチングマスクがエピタキシャル層の上に置かれ、図１の面５および６に相当する端部５および６を有するフィラメント１の形状が、例えば六フッ化硫黄を用いるプラズマエッチングによって層２および７からエッチング除去される。種々のレベルの蒸着マスキングを用いて、絶縁領域１１および１２のための領域が、次いで電気接点１３および１４のための領域が画定される。二酸化ケイ素（ＳiＯ₂）の絶縁層１５および１６が基板１０の上に蒸着され、次いでニッケル（Ｎi）のオーミック接点１３および１４のマスキングと蒸着が行われる。絶縁領域１５および１６は、伝導による熱移動ができるだけ最少化されるように、フィラメント１の加熱されるべき領域から熱的に隔離されるべきである。オーミック接点１３および１４は不活性雰囲気中で約１０００℃で焼鈍される。接点１３および１４を焼鈍した後、フィラメント１を自立させるために、ケイ素基板１０が領域１７でエッチング除去されるようにエッチングのマスキング層が形成される。エッチングはフッ化水素酸（ＨＦ）の希釈溶液中で行われる。高温で不動態化させるために、フィラメントは約１００オングストロームの窒化アルミニウム（ＡlＮ）で被覆されるが、この被覆は通常ＳiＣと格子的に適合し、またこれは高温においてフィラメント１を空気中で本質的に耐酸化性にする。得られたデバイスを支持体上に装着し、必要ならばカバーを付け、そして、通常の電源（図示せず）から十分な電流を供給し、またフィラメント１の層２を面５および６の間で９００℃以上まで抵抗型負荷にするために、通常のワイヤ（図示せず）が電気接点１３および１４に取り付けられる。以上で説明したことは、電流または熱の白熱光への交換可能な変換の構造上の原理である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年１月２日【補正内容】請求の範囲１．以下の要素の組み合わせからなる、熱と電気と白熱光のうちの少なくとも１つの間でエネルギーを変換するための装置：少なくとも１つの輻射エネルギー移動表面と、熱および電気のうちの少なくとも１つを移動させるための少なくとも第１の領域とを備えた半導体本体を有する半導体エネルギー変換装置本体部材、前記半導体エネルギー変換装置本体部材は約２ｅＶ以上のバンドギャップを有し、前記半導体エネルギー変換装置本体は、前記第１の領域に隣接していてこれと実質的に平行な少なくとも第２の層を有し、前記層において前記半導体の自由キャリヤ吸収特性が抑制され、前記第２の層は前記第１の領域と境界面によって分離されていて、そして、熱および電気のうちの少なくとも１つを少なくとも前記第１の領域へ移動させる手段。２．請求の範囲第１項に記載の装置であって、少なくとも前記第１の領域は、電流によって発生する加熱のためにドーピングされている。３．請求の範囲第１項に記載の装置であって、前記半導体本体は、立方晶炭化ケイ素（３Ｃ-ＳiＣ）、六方晶炭化ケイ素（ＳiＣ）、および窒化アルミニウム（ＡlＮ）からなる群から選択された材料からなる。４．請求の範囲第２項に記載の装置であって、前記半導体本体は、立方晶炭化ケイ素（３Ｃ-ＳiＣ）、六方晶炭化ケイ素（αＳiＣ）、および窒化アルミニウム（ＡlＮ）からなる群から選択された材料からなる。５．請求の範囲第４項に記載の装置であって、前記熱および電気のうちの少なくとも１つを移動させる手段は前記層を通る電流の通過である。６．請求の範囲第５項に記載の装置であって、前記半導体エネルギー変換装置本体は前記輻射エネルギー移動表面に隣接する第１の薄い層を有し、前記薄い層は厚い構造的支持体層によって支持されている。７．請求の範囲第６項に記載の装置であって、前記半導体エネルギー変換装置本体部材は窒化アルミニウム（ＡlＮ）の層で被覆されている。８．以下の要素の組み合わせからなる白熱光放射装置：少なくとも１つの輻射エネルギー放射表面を含むエネルギー変換本体部材であって、前記本体部材はさらに前記少なくとも１つの輻射エネルギー放射表面を含む少なくとも第１の領域を含み、また前記第１の領域とは異なる特性を有する少なくとも第２の領域を有し、前記第２の領域は前記第１の領域に隣接していて、前記本体部材の少なくとも前記第２の領域は前記輻射エネルギー放射表面を介して放射される赤外線スペクトル範囲にある光エネルギーを抑制するように適合されていて、そして、前記輻射エネルギー放射表面を介しての放射を生成するように作用可能な熱と電気のうちの少なくとも１つを前記本体に適用する手段。９．請求の範囲第４項に記載の白熱光放射装置であって、前記エネルギー変換本体部材は半導体であって、前記適合は前記移動表面を介しての白熱光放射の抑制である。１０．請求の範囲第９項に記載の白熱光放射装置であって、前記半導体本体は、立方晶炭化ケイ素（３Ｃ-ＳiＣ）、六方晶炭化ケイ素（αＳiＣ）、および窒化アルミニウム（ＡlＮ）からなる群から選択された材料からなる。１１．請求の範囲第１０項に記載の装置であって、前記輻射エネルギー移動表面に隣接する前記層は、電流によって発生する加熱のためにドーピングされている。１２．請求の範囲第１１項に記載の装置であって、前記熱と電気のうちの少なくとも１つを適用する手段は、前記層を通る電流の通過である。１３．請求の範囲第１２項に記載の装置であって、前記半導体エネルギー変換装置本体は前記輻射エネルギー移動表面に隣接する第１の薄い層を有し、前記薄い層は厚い構造的支持体層によって支持されている。１４．以下の要素の組み合わせからなる白熱光放射装置：約２以上のバンドギャップを有する半導体からなる群から選択された材料からなる半導体本体、前記本体は少なくとも１つの輻射エネルギー移動表面を有していて、前記本体は前記エネルギー移動表面に隣接する第１の薄いわずかにドーピングされた層を少なくとも有し、前記層は自由キャリヤ吸収特性が抑制されるように適合されていて、前記本体はさらに前記第１の層に隣接する少なくとも第２のドーピングされた層を含み、前記第２の層は前記エネルギー移動表面から離れていて、前記第１の層は前記第２の層よりも多量にドーピングされていて、前記第２の層はさらに自由キャリヤ吸収特性が抑制されるように適合されていて、そして、前記移動表面を介して白熱放射を発生させるのに十分なだけ少なくとも前記第１の層を加熱する手段。１５．請求の範囲第１４項に記載の装置であって、前記層を加熱する前記手段は前記層を通しての電流の通過を含む。１６．請求の範囲第１５項に記載の装置であって、前記半導体本体は、立方晶炭化ケイ素（３Ｃ-ＳiＣ）、六方晶炭化ケイ素（αＳiＣ）、および窒化アルミニウム（ＡlＮ）からなる群から選択された材料からなる。１７．請求の範囲第１６項に記載の白熱光放射装置であって、前記半導体本体は窒化アルミニウム（ＡlＮ）の層で被覆されている。１８．以下の要素の組み合わせからなる白熱光放射装置：２以上のバンドギャップを有する半導体からなる群から選択された材料からなる半導体本体、前記本体は少なくとも１つの輻射エネルギー移動表面を有していて、前記本体は前記エネルギー移動表面に隣接する薄いわずかにドーピングされた層を少なくとも有し、前記層は自由キャリヤ吸収特性が抑制されるように適合されていて、前記移動表面を介して白熱放射を発生させるのに十分なだけ前記層を加熱する手段であって、前記層を加熱する前記手段は前記層を通しての電流の通過を含み、前記半導体本体は、立方晶炭化ケイ素（３Ｃ-ＳiＣ）、六方晶炭化ケイ素（α ＳiＣ）、および窒化アルミニウム（ＡlＮ）からなる群から選択された材料からなり、そして、前記本体は立方晶炭化ケイ素からなり、前記層は約１０¹⁷原子／ｃｃまでドーピングされていてそして約５００〜１０００オングストロームの厚さを有し、また前記層は約１０¹⁵原子／ｃｃまでドーピングされた前記炭化ケイ素の層によって支持されている。１９．以下の工程からなる、白熱光変換部材を調製する方法：立方晶ＳiＣ、六方晶ＳiＣ、およびＡlＮのうちの少なくとも１種からなる自立したフィラメントを形成する工程であって、前記フィラメントは約１０¹⁷原子／ｃｃまでドーピングされた厚さが約５００〜１０００オングストロームの層を有し、前記層は約１０ミクロンの厚さの前記立方晶ＳiＣからなる第２の層によって支持されていて、前記第２の層は前記第１の層とは異なるドーピング特性を有し、そして、前記フィラメントを６００℃以上の温度に維持する工程。２０．請求の範囲第１９項に記載の方法であって、前記温度を維持する工程は前記フィラメントに電流を通すことを含む。２１．請求の範囲第１４項に記載の白熱光放射装置であって、前記第１の層は窒素でドーピングされていて、前記第２の層はホウ素でドーピングされている。２２．請求の範囲第１８項に記載の白熱光放射装置であって、前記半導体本体は窒化アルミニウム（ＡlＮ）の層で被覆されている。２３．以下の要素の組み合わせからなる、熱と電気と白熱光のうちの少なくとも１つの間でエネルギーを変換するための装置：少なくとも１つの輻射エネルギー移動表面と熱および電気のうちの少なくとも１つを移動させるための少なくとも１つの領域とを備えた半導体本体を有するエネルギー変換装置本体部材であって、前記第１の領域はドーピングされた３Ｃ- ＳiＣ半導体材料からなり、前記半導体エネルギー変換装置本体部材は約２ｅＶ以上のバンドギャップを有し、前記半導体エネルギー変換装置本体は、前記輻射エネルギー移動表面に隣接していてかつ本質的にこれと平行であってそして前記半導体の自由キャリヤ吸収特性が抑制される少なくとも１つの層を有し、そして、熱と電気のうちの少なくとも１つを前記エネルギー移動表面に隣接する少なくとも前記層に移動させる手段。２４．請求の範囲第２３項に記載の、熱と電気と白熱光のうちの少なくとも１つの間でエネルギーを変換するための装置であって、前記少なくとも第１の領域と前記１つの層は同じものである。２５．以下の要素を含む白熱光フィラメント：少なくとも１つの輻射エネルギー移動表面を有する本体を含むエネルギー変換装置本体部材であって、前記本体は熱と電気のうちの少なくとも１つを移動させるための少なくとも第１の領域を含み、前記第１の領域は少なくとも第１および第２の対向する表面を含み、前記第１の表面は前記少なくとも１つの輻射エネルギー移動表面からなり、前記第１の領域はさらにドーピングされた３Ｃ-ＳiＣ半導体材料からなり、前記エネルギー変換装置本体は、前記第１の領域とは異なっていてそして前記少なくとも１つの輻射エネルギー移動表面と本質的に平行に配置されている少なくとも第２の領域を含み、前記半導体エネルギー変換装置本体部材は約２ｅＶ以上のバンドギャップを有し、そして、熱と電気のうちの少なくとも１つを前記半導体本体へ移動させるための接点。２６．請求の範囲第２５項に記載の白熱光フィラメントであって、前記第２の層は前記第１の領域の相対的厚さよりも大きい相対的厚さを有する。２７．請求の範囲第２６項に記載の白熱光フィラメントであって、前記第２の層はさらに半導体材料からなる。２８．請求の範囲第２７項に記載の白熱光フィラメントであって、前記第１の領域は前記第２の層の上にエピタキシャル層として成長される。２９．請求の範囲第２８項に記載の白熱光フィラメントであって、少なくとも前記第１の領域は、前記第１および第２の対向する表面に垂直でそしてそれらの間で延びている第３および第４の対向する表面を含み、そして前記移動する手段は少なくとも前記第３および第４の対向する表面に隣接するオーミック接点を含む。３０．以下の要素を含む白熱ランプ：ランプ本体部材であって、前記本体部材は熱と電気のうちの少なくとも１つを移動させるために前記本体部材の上に少なくとも第１の領域を含み、前記第１の領域は少なくとも１つの輻射エネルギー移動表面を有し、前記輻射エネルギー移動表面は３Ｃ-ＳiＣ半導体材料からなり、そして、熱と電気のうちの少なくとも１つを前記ランプ本体部材に供給するための１対の金属接点。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，ＥＥ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者コーネゲイ，ケヴィン・タイロンアメリカ合衆国インディアナ州47906，ウエスト・ラファイエット，ノース・サリスバリー・ストリート 1428 (72)発明者スペンサー，マイケル・グレッグアメリカ合衆国ワシントン・ディーシー 20017，ブチャナン・ストリート・ノース・イースト 1605

Claims

【特許請求の範囲】１．以下の要素の組み合わせからなる、熱と電気と白熱光のうちの少なくとも１つの間でエネルギーを変換するための装置：少なくとも１つの輻射エネルギー移動表面と、熱および電気のうちの少なくとも１つを移動させるための少なくとも１つの領域とを備えた半導体本体を有する半導体エネルギー変換装置本体部材、前記半導体エネルギー変換装置本体部材は２ｅＶ以上のバンドギャップを有し、前記半導体エネルギー変換装置本体は、前記輻射エネルギー移動表面に隣接していてこれと実質的に平行な少なくとも１つの層を有し、前記層において前記半導体の自由キャリヤ吸収特性が抑制され、そして、熱および電気のうちの少なくとも１つを前記エネルギー移動表面に隣接する少なくとも前記層へ移動させる手段。２．請求の範囲第１項に記載の装置であって、前記輻射エネルギー移動表面に隣接する前記層は、電流によって発生する加熱のためにドーピングされている。３．請求の範囲第１項に記載の装置であって、前記半導体本体は、立方晶炭化ケイ素（３Ｃ-ＳiＣ）、六方晶炭化ケイ素（ＳiＣ）、および窒化アルミニウム（ＡlＮ）からなる群から選択された材料からなる。４．請求の範囲第２項に記載の装置であって、前記半導体本体は、立方晶炭化ケイ素（３Ｃ-ＳiＣ）、六方晶炭化ケイ素（αＳiＣ）、および窒化アルミニウム（ＡlＮ）からなる群から選択された材料からなる。５．請求の範囲第４項に記載の装置であって、前記熱および電気のうちの少なくとも１つを移動させる手段は前記層を通る電流の通過である。６．請求の範囲第５項に記載の装置であって、前記半導体エネルギー変換装置本体は前記輻射エネルギー移動表面に隣接する第１の薄い層を有し、前記薄い層は厚い構造的支持体層によって支持されている。７．請求の範囲第６項に記載の装置であって、前記半導体エネルギー変換装置本体部材は窒化アルミニウム（ＡlＮ）の層で被覆されている。８．以下の要素の組み合わせからなる白熱光放射装置：少なくとも１つの輻射エネルギー放射表面を有するエネルギー変換本体部材、前記本体部材は、前記輻射エネルギー放射表面を介して放射される赤外線スペクトル範囲にある光エネルギーを抑制するように適合されていて、そして、前記輻射エネルギー放射表面を介しての放射を生成するように作用可能な熱と電気のうちの少なくとも１つを前記本体に適用する手段。９．請求の範囲第４項に記載の白熱光放射装置であって、前記エネルギー変換本体部材は半導体であって、前記適合は前記移動表面を介しての白熱光放射の抑制である。１０．請求の範囲第９項に記載の白熱光放射装置であって、前記半導体本体は、立方晶炭化ケイ素（３Ｃ-ＳiＣ）、六方晶炭化ケイ素（αＳiＣ）、および窒化アルミニウム（ＡlＮ）からなる群から選択された材料からなる。１１．請求の範囲第１０項に記載の装置であって、前記輻射エネルギー移動表面に隣接する前記層は、電流によって発生する加熱のためにドーピングされている。１２．請求の範囲第１１項に記載の装置であって、前記熱と電気のうちの少なくとも１つを適用する手段は、前記層を通る電流の通過である。１３．請求の範囲第１２項に記載の装置であって、前記半導体エネルギー変換装置本体は前記輻射エネルギー移動表面に隣接する第１の薄い層を有し、前記薄い層は厚い構造的支持体層によって支持されている。１４．以下の要素の組み合わせからなる白熱光放射装置：２以上のバンドギャップを有する半導体からなる群から選択された材料からなる半導体本体、前記本体は少なくとも１つの輻射エネルギー移動表面を有していて、前記本体は前記エネルギー移動表面に隣接する薄いわずかにドーピングされた層を少なくとも有し、前記層は自由キャリヤ吸収特性が抑制されるように適合されていて、そして、前記移動表面を介しての白熱光放射。１５．請求の範囲第１４項に記載の装置であって、前記層を加熱する前記手段は前記層を通しての電流の通過を含む。１６．請求の範囲第１５項に記載の装置であって、前記半導体本体は、立方晶炭化ケイ素（３Ｃ-ＳiＣ）、六方晶炭化ケイ素（αＳiＣ）、および窒化アルミニウム（ＡlＮ）からなる群から選択された材料からなる。１７．請求の範囲第１６項に記載の装置であって、前記半導体エネルギー変換装置本体部材は窒化アルミニウム（ＡlＮ）の層で被覆されている。１８．請求の範囲第１６項に記載の装置であって、前記本体は立方晶炭化ケイ素からなり、前記層は約１０¹⁷原子／ｃｃまでドーピングされていてそして約５００〜１０００オングストロームの厚さを有し、また前記層は約１０¹⁵原子／ｃｃまでドーピングされた前記炭化ケイ素の層によって支持されている。１９．以下の工程からなる、白熱光変換部材を調製する方法：立方晶ＳiＣ、六方晶ＳiＣ、およびＡlＮのうちの少なくとも１種からなる自立したフィラメントを形成する工程であって、前記フィラメントは約１０¹⁷原子／ｃｃまでドーピングされた厚さが約５００〜１０００オングストロームの層を有し、前記層は約１０ミクロンの厚さの前記立方晶ＳiＣからなる層によって支持されていて、そして、前記フィラメントを６００℃以上の温度に維持する工程。２０．請求の範囲第１９項に記載の方法であって、前記温度を維持する工程は前記フィラメントに電流を通すことを含む。